国内传感器发展技术浅析

    国内的传感器市场还有待发展，尤其是大电流传感器技术，远远落后于国际水平。但是随着经济的发展，无论是轨道交通或者风电等新能源行业的发展需求都将带动国内传感器技术的发展越来越多的传感器厂家把目光投向轨道交通、新能源等行业，比较成熟的如莱姆电子，其电量传感器产品在风力涡轮机中的应用已经相当成熟，而库伯勒、施克等厂商纷纷表示正在密切观望着轨道交通、风电行业对传感器的需求趋势。
　　风电行业推进传统传感器技术的发展
　　从人类发展的早期开始，便将风能作为一种能源使用，随着科学技术的发展，人们开始更加精准地运用风能。
 
　　德国的石勒苏益格－荷尔斯泰因州位于北海和波罗的海之间，即使在风力不大的情况下，力士乐公司生产的风力发电机组仍可运行。如果风向从西北向北变化8度，测风仪就会把感测到的信号传输到控制系统，控制偏航驱动装置将机舱定位到合适的位置。测风仪包括风速传感器和风向传感器，是随着风电行业的发展而发展起来的。一般来说，风速传感器应满足测量范围为0～60米／秒，误差范围在0.5米/秒以内，工作环境温度应满足当地气温条件。而风向传感器应满足测量范围为0～360度，精确度在2.5度以内，工作环境温度应满足当地气温条件。
　　中国科学院电工研究所新能源组的副研究员李建林表示，“风电行业对测量高电压、大电流传感器，振动传感器，温度、湿度、测风、以及压力传感器等产品应用均会有所推进。”其中，由于电流传感器是风能涡轮机中转换器必不可少的元件，在风电行业中的应用尤为重要。在某些逆变器内，小型和PCB安装电流传感器的应用非常广泛。这些传感器是转换器闭环控制的一部分，可以确保逆变器快速反应。
当逆变器与发电机的智能功率控制同时使用时，可以确保在风能涡轮机启动之后在一个很宽的风速范围内为电网提供持续功率，直到涡轮机在上限风速时停机为止。为了对驱动器进行最佳定位，各个转换器内的传感器会对电流进行连续测量，电路控制器的质量和反应时间最终由电流传感器的设计和性能而确定。这就是具有小电流额定值的闭环电流传感器广泛应用在风电行业的原因。除了具有极好的线性度和精确度之外，闭环电流传感器本身还具有高带宽以及快速的反应时间等优点。
 
　　李建林指出，国内的电流传感器市场还有待发展，尤其是大电流传感器技术，远远落后于国际水平。由于国内的大电流传感器技术相对不够成熟，国内风电整机厂商在采购大电流传感器时，大多数会选择进口产品，由于进口产品的价格往往高于国内产品的价格，这在一定程度上增加了生产成本压力。而在小电流传感器技术方面，国内的技术水平与国际水平已没有多少差距。
 
　　由于国内风力发电站多设在“三北地区”（华北、东北、西北）及沿海地区，气候相对恶劣，因此风电机组对传感器性能的要求较高，尤其是对加热功能、抗震性、抗高频电磁干扰、防极性接反（连接）及风向指针抗冲击和振动等能力的要求要远高于通用传感器的性能指标，而潮汐发电站的机组还要求传感器具有良好的防海水腐蚀性能。
 
　　李建林告诉记者，传感器在风电行业的应用并非仅仅局限于风力发电行业，就我国电力行业来说，使用传感器的场合非常多。在电厂、电站主要使用压力传感器、温度传感器、流量传感器，在输变电领域主要使用电压传感器、电流传感器。它们大都属于技术水平不高但对可靠性和稳定性要求较高的通用传感器，而技术水平要求较高的光传感器现在在电力行业应用还较少。
由于电厂、电站的传感器一般都是由机组设备厂商进行选择，所以国内传感器应用的相对较多。输变电领域则不同，相对发电领域，由于传感器的一次性投入比较小，各个电网区域选择品牌时对价格不是很敏感，而且使用一些比较新的技术可以提高输变电水平，所以国外品牌的传感器应用比较多。” 
　　轨道交通带动新型传感器技术的发展
　　随着半导体技术的飞速发展，在现代化先进的城市地铁、轻轨车辆的牵引控制系统及辅助供电系统中，均使用了VVVF调压调频方式的牵引逆变器及CVCF的辅助逆变器。和干线交-直-交传动机车一样，电流传感器和电压传感器亦大量应用在上述系统的直流和交流回路中，以实现对整个系统的闭环控制。
　　但是，城市轨道交通对传感器技术最大的推动却在于无线传感器网络技术，红外传感器技术受力传感器、气体传感器、速度传感器和光电传感器技术等新型传感器领域，而不仅仅是电流传感器和电压传感器等传统传感器领域。中铁电气化勘测设计研究院有限公司副总工程师、高级工程师兼国际项目管理专家王术合指出，“在地铁领域，与通风空调有关的如温湿度和CO2传感器，和防恐有关的一些有毒气体传感器的需求量及技术含量都很高。
在高速动车组领域，对与封闭车厢内的氧气量监测与补给、地震、速度监测、轴温检测、连接部位松动监测、异物监测等相关传感器的需求非常高，这些技术仍在不断发展和完善中。而防盗抢类传感器，如高压室玻璃破碎、误进入，以及电缆盗抢传感器等都很重要。”王术合进一步指出，这些传感器与系统设备以及人身的安全息息相关。
　　在城市轨道交通车辆的空调系统中，常采用传感器与电子温控器相配合进行温度控制。温控器多使用电子调节器，传感器用作温度检测，一般采用热电偶或热敏电阻作传感器。而在客室内，由于人的呼吸，二氧化碳（CO2）的含量会增加，当增加到一定浓度后就会影响人的健康，车内乘客携带的物品中产生的有害气体等也会使车内空气变得污浊，这时就需要外界产生新鲜空气，对车内的空气进行一定的更换，因此传感器对气体的精确检测就显得尤为重要。
　　自2005年１月美国华盛顿市的两个地铁站启用一种能检测到化学毒气的传感器开始，越来越多的地铁站开始运用传感检测技术保证轨道交通的安全运行。2008北京奥运会后，国内的许多城市都规定了轨道交通各个站点应强制安置对爆炸物和有毒有害化学危险品检测的传感器。而由于无线传感网络包括了可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多类型的传感器，因此成为轨道交通安全保证系统中的主要传感器技术。
　　无线传感网络是当代科学技术的热点也是难点之一，无线传感器网络由随机布设的大量多种类传感器节点组成，能够迅速组成自适应的网络拓扑结构，对分布式动态信息进行协同感知与处理，形成残缺、受限的自治综合信息系统，是人类的远程神经末梢。上海微系统所已在无线传感器网络的MEMS传感器、芯片、节点、网络、协同处理等方面攻克多项关键技术和样机，在随机布设组网、多种分簇组网、网络体系构架、多种通信体制、虚拟MIMO等方面取得显著进展。在传感网的盲源分离、多目标协同识别、跟踪定位等领域的部分关键技术居世界先进水平，并针对国家重大需求，得到一定规模的重要应用。
 
　　传感器在保证轨道交通安全上的另一个重要应用是屏蔽门，过去曾多次出现过将乘客夹在屏蔽门和列车门之间的事故，现在越来越多的轨道交通车站正在安装或计划安装红外传感器或光传感器，以防乘客变成“夹心饼干”。
　　国家对轨道交通建设的大力投入将进一步带动传感器市场的发展，除了上述传感器以外，还包括了机器视觉传感器，作为轨道建设中地下施工最高设备的盾构机用传感器等。
　　传感器市场在进一步发展的同时，越来越多的传感器厂商加入到市场的争夺中来。汽车工业制造业等传统领域的竞争愈加激烈，而新能源、轨道交通等蓝海市场也在进一步壮大，相应地，对传感器产生的信号处理、显示和使用会带出信息处理的市场需求也进一步提高。作为传感器厂商能否紧跟市场需求的牵引，不断拓展业务蓝海，提高自身的技术实力，将成为在2009年乃至今后一段时间发展获得突破的关键。